張鳳英 厚琳

摘要

果蔬中含有豐富的維生素及微量元素，針對后工業(yè)時代不良商家對果蔬添加有害健康的物質(zhì)，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的果蔬質(zhì)量追溯系統(tǒng)，系統(tǒng)結構框架完善，硬件數(shù)據(jù)采集部分核心部件采用單片機主控模塊（STC89C52），連接光敏和溫濕度傳感元件采集蔬菜種植環(huán)境相關信息。為了更高效的采集農(nóng)產(chǎn)品信息，引入了射頻識別模塊、藍牙作為無線通信技術搭建了硬件信息采集和軟件監(jiān)測的橋梁。開發(fā)了基于智能手機的APP用以實時監(jiān)測各項數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)設計。

【關鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 果蔬 質(zhì)量追溯 射頻識別

蔬菜營養(yǎng)價值極高，是人們健康飲食不可缺少的物質(zhì)。根據(jù)我國蔬菜行業(yè)專家的分析和預測，我國大棚蔬菜種植自2013年以來市場需求量和市場供應量持續(xù)增長，預測到大棚蔬菜的前景不太光明。主要原因是一些商家鼠目寸光，被利益蒙蔽雙眸，為了增大產(chǎn)量，美化蔬菜外觀，昧著良心造成大量食品安全事件的發(fā)生。染色草莓，尿素豆芽、拋光橙子、植物激素濫用等事件沖擊著人們的視野，考驗民眾的耐心，更激起了大眾對食品安全及自身健康的擔憂。

因此需要建設一套蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)來監(jiān)測蔬菜農(nóng)產(chǎn)品的生長過程，間接的保障蔬菜農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全。物聯(lián)網(wǎng)作為新時代的寵兒，其技術被廣泛應用到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過程中，為實現(xiàn)供應鏈中物品自動化的跟蹤和追溯提供了基礎平臺。構建基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)需要實現(xiàn)從蔬菜種植到銷售全過程的農(nóng)產(chǎn)品信息的追溯。蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)的推廣對企業(yè)蔬菜農(nóng)作物的生產(chǎn)進行了有效的監(jiān)督，間接的提高了蔬菜農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，可以間接的降低食品安全事件的發(fā)生，只有這樣國家才能繁榮昌盛?？墒悄壳皣鴥?nèi)研究的蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)其追溯的內(nèi)容有點簡單，其溯源信息的采集不是很精準，沒有形成一個完整的供應鏈，不能全面的對蔬菜農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量進行有效的監(jiān)督，所以本設計來進行一個基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)研究。

1 系統(tǒng)總體設計方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)進行設計，完成蔬菜農(nóng)產(chǎn)品種植過程中數(shù)據(jù)的采集并將信息顯示。本設計將單片機系統(tǒng)引入到蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)的設計中，設計了基于RFID和無線傳輸?shù)氖卟速|(zhì)量追溯系統(tǒng)，如同“大腦”的單片機作為主控單元將電源接口模塊、液晶顯示接口模塊、光照強度采集模塊、土壤溫濕度采集模塊、RFID射頻識別模塊、數(shù)模轉換模塊、藍牙等各大模塊進行控制。無線通信藍牙技術作為硬件信息采集系統(tǒng)和軟件實時監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁，把硬件系統(tǒng)采集的種植信息發(fā)送到移動終端APP，實現(xiàn)了硬件數(shù)據(jù)采集部分和軟件監(jiān)測部分的信息可靠傳輸，移動終端可以進行實時的檢測。移動終端分管理員和顧客兩種登錄權限，管理員用讀卡器掃描射頻卡后對蔬菜基本信息進行修改、發(fā)布和管理。顧客掃描電子標簽后可以看到產(chǎn)品詳細信息，不能修改，來實現(xiàn)蔬菜質(zhì)量的追溯，基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)要進行追溯信息采集（硬件部分來實現(xiàn)）、企業(yè)認證申請（農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)管部門審核）、追溯信息管理（從種植到銷售信息管理）這三大功能來實行蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)的智能化操作，構建方便快捷的蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)結整體結構圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

整個系統(tǒng)中對蔬菜種植環(huán)境信息以及農(nóng)產(chǎn)品信息采集采集部分，選擇單片機作為核心控制系統(tǒng)，單片機作為“大腦”實時與傳感器模塊和射頻識別模塊保持著實時通信，不斷從它們那里獲取新檢測到的數(shù)據(jù)，并在內(nèi)部進行分析處理。在蔬菜農(nóng)產(chǎn)品種植地過程中，對蔬菜種植環(huán)境的溫濕度和光照的采集相當重要，所以我們要用到溫濕度和光敏傳感元件對溫濕度數(shù)據(jù)進行實時的采集，為蔬菜農(nóng)產(chǎn)品提供更好的生長環(huán)境;由于采集的光照和溫濕度是模擬信號，需要轉換成數(shù)字信號讓單片機進行邏輯計算再在液晶顯示屏上顯示，所以離不開數(shù)模轉換和液晶顯示屏;為了更高效的采集農(nóng)產(chǎn)品信息，我們引入了RFID射頻識別模塊，射頻識別模塊通過電子標簽采集蔬菜農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)（品種，生產(chǎn)批次，產(chǎn)地）等詳細信息，電子標簽通過掃描讀寫器在移動終端顯示蔬菜基本信息;藍牙作為無線通信技術搭建起了硬件信息采集和軟件顯示監(jiān)測的橋梁，硬件結構框圖如圖2所示。

在基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)設計中，單片機選用的是STC89C52。通過各元件反饋的信息，及時進行處理并將結果再傳送到各端口，實現(xiàn)既定的控制功能，以滿足性能要求。整個系統(tǒng)的功能是通過各個元件獨立正常運行來完成工作的，其中最關鍵和復雜的是如何進行溫濕度、光照強度、農(nóng)產(chǎn)品信息的采集并自動顯示，這就需要依靠一個強大的“大腦”來處理。STC89C52系列單片機因為其高速、低功耗、抗干擾強、價格低廉被廣大用戶青睞和使用;它擁有簡單的外圍電路，并且具有強大的運算功能，靈活度大，不存在方向寄存器的說法，所以STC89C52是最佳的選擇。編程簡單，利用Keil軟件編程可以實現(xiàn)相關算法和數(shù)字邏輯控制，在生活中我們發(fā)現(xiàn)它體積小，占用空間小，“麻雀雖小，五臟俱全”，STC89C52單片機中包含中央處理器（CPU），程序存儲器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）、定時/計數(shù)器、通用異步收發(fā)收發(fā)傳輸器串口、可多次擦除編程等模塊。

在蔬菜質(zhì)量追溯的過程中，單片機上電工作后，使用STC89C52單片機作為核心控制模塊對蔬菜種植環(huán)境當前的溫濕度值和光照值進行實時測量，取得數(shù)據(jù)后直接在液晶顯示屏LCD1602上顯示給用戶;同時硬件信息采集系統(tǒng)通過藍牙這條橋梁把采集到的信息快速的發(fā)送到上位機移動終端，這樣硬件信息采集部分和軟件實時監(jiān)測部分就能完美的連接。管理員可以通過上位機對蔬菜種植環(huán)境的溫濕度和光照強度進行控制，從而達到遠程監(jiān)控的目的。繼電器開關、測溫單元和感濕單元等組成了溫濕度傳感器電路;繼電器開關和發(fā)光電源組成了光敏傳感器電路。溫濕度傳感器和光照強度傳感器作為硬件采集系統(tǒng)的輸入部分，STC89C52單片機通過一系列驅(qū)動程序、繼電開關以及光敏和溫濕度傳感元件從而進行遠程智能化溫濕度控制和人工補充光照。無線通信藍牙技術把硬件系統(tǒng)采集的溫濕度和光照強度信息發(fā)送給上位機移動終端，實現(xiàn)蔬菜種植環(huán)境的數(shù)據(jù)分析，從而得到溫濕度和人工光照的最優(yōu)控制。

在進行蔬菜種植環(huán)境信息采集的過程中使用了DHT11傳感器和光敏電阻GL5516，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器集合溫度和濕度采集復合功能且有精準的數(shù)字信號輸出，很適合溫濕度的測量，這就是使用它的原因。DHT數(shù)字溫濕度傳感器應用了先進的技術，比如溫濕度傳感技術和數(shù)字模塊采集技術，正是先進優(yōu)良技術的應用使傳感器可靠性高。它不僅體積小巧精致、技術先進、價格低廉，還能直接集成測量溫度和濕度的功能。電容式感濕元件和一個NTC測溫元件組成了DHT11溫濕度傳感器，另外，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器有校準功能是因為有存放校準系數(shù)的地方，一塊一次性可編程OTP內(nèi)存。在對種植環(huán)境光照強度采集的過程中，我們使用的是GL5516光敏電阻，它適用于高照度的光照采集，只有光敏電阻是無法進行的，還需要用到繼電開關，可以對傳感器的靈敏度進行調(diào)節(jié)。這樣光敏傳感器就可以把光信號轉換為電信號。總的來說，這款光敏傳感器測量相對來說還是比較精準的。用熱固性環(huán)氧樹脂封裝可靠性高，外形小巧玲瓏，靈敏度高、反應快測量光照精準。

在本系統(tǒng)，我們需要將硬件電路采集到的蔬菜種植環(huán)境的溫濕度、光照強度數(shù)據(jù)以及農(nóng)產(chǎn)品詳細信息發(fā)送到上位機移動終端以圖形化的界面顯示，方便管理員和用戶進行農(nóng)產(chǎn)品相關數(shù)據(jù)查詢，同時達到遠程監(jiān)控的目的，所以我選擇了穩(wěn)定、可靠、價格低廉、低功耗、易調(diào)試的藍牙模塊HC-05。

3 上位機軟件設計及實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件把蔬菜種植環(huán)境溫濕度、光照強度數(shù)據(jù)以及農(nóng)產(chǎn)品詳細信息發(fā)送到上位機，以便管理員和顧客進行農(nóng)產(chǎn)品追溯。主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、上位機APP監(jiān)測三大部分組成。蔬菜生長環(huán)境信息采集系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心設計，蔬菜農(nóng)產(chǎn)品受季節(jié)性的影響，農(nóng)產(chǎn)品價格也會隨之波動，而且容易變質(zhì)，所以在對蔬菜質(zhì)量進行追溯的過程中采集與質(zhì)量安全相關的信息非常重要。采集的信息包括培育、種植、用藥、加工、儲運、以及銷售各環(huán)節(jié)信息。如果不能采集到蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)的整個環(huán)節(jié)信息，就不能了解蔬菜質(zhì)量追溯的整個過程，一旦蔬菜質(zhì)量出現(xiàn)問題就不能進行有效的的查詢，也就不能保障蔬菜質(zhì)量的安全，構建這樣的蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)也就沒有實際意義了，所以蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)要對蔬菜的詳細信息進行采集，信息采集的過程如圖3所示。

為方便管理員和顧客對農(nóng)產(chǎn)品生長過程進行追溯，上位機選擇使用已經(jīng)普及并且較之于電腦更加便捷的智能手機，移動終端APP開發(fā)基于Android進行設計實現(xiàn)。為方便管理移動終端設計有兩種權限，分管理員和顧客兩種登錄方式，管理員可以用電子標簽掃描讀寫器也可以手動修改產(chǎn)品的種類、價格、品種等信息。顧客掃描電子標簽后可以看到產(chǎn)品詳細信息，只能查看，不能修改，來實現(xiàn)蔬菜質(zhì)量的追溯，來達到本系統(tǒng)的設計要求。移動終端APP結構功能框圖如圖4所示。

管理員和顧客登錄系統(tǒng)可以對實時采集蔬菜種植環(huán)境的數(shù)據(jù)以及農(nóng)產(chǎn)品詳細信息進行查看，管理員擁有更高的權限，通過射頻卡掃描讀寫器進行跳轉后對農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地、品種、價格進行修改并發(fā)布;而顧客只能查看發(fā)布的農(nóng)產(chǎn)品詳細信息，同時也保障了蔬菜農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。登錄后，就可以看到農(nóng)產(chǎn)品信息，在APP的頂端可以看到實時變化的的蔬菜種植環(huán)境的溫濕度、光照強度信息。用射頻卡掃描讀寫器后進行跳轉，可以以圖片的形式看到蔬菜種植環(huán)境，還可以對農(nóng)產(chǎn)品的名稱、品種、價格、保質(zhì)期信息進行修改，修改完信息后點擊APP界面右上角的“確定”，這樣農(nóng)產(chǎn)品信息更新。顧客登陸后，讀寫器掃描射頻卡后，只能查看蔬菜種植環(huán)境的溫濕度、光照強度，農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)基地，名稱、品種、保質(zhì)期、價格，顧客的權限有限，只能查看，而不能修改。上位機APP界面截圖如圖5所示。

4 結束語

本次設計使用STC89C52作為蔬菜質(zhì)量追溯硬件系統(tǒng)的控制核心，采用溫濕度傳感器傳感器、光敏傳感器和AD模塊組成的電路實現(xiàn)蔬菜種植環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集;實時顯示蔬菜種植環(huán)境的溫濕度、光照強度以及射頻卡ID;藍牙無線通信技術作為硬件采集系統(tǒng)與軟件實時監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁，把單片機主控模塊與移動終端APP相連，APP程序?qū)⒂布到y(tǒng)采集的信息清晰、明了的展現(xiàn)該用戶，充分的實現(xiàn)了人機交互。實現(xiàn)了對蔬菜種植過程環(huán)境的全程監(jiān)測，大大提高了對蔬菜質(zhì)量的監(jiān)督和管理。

參考文獻

[1]許博明.基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜質(zhì)量追溯系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].北京交通大學，2017.

[2]李友水.基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].河南師范大學，2016

[3]盧磊，張峰.基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜可追溯系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電子設計工程，2011，19（07）：19-22.

[4]姚榮.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的西安市蔬菜供應鏈追溯系統(tǒng)研究[D].長安大學，2013.

[5]于軍，隋韌峰.基于單片機STC89C52溫濕度測控系統(tǒng)的設計[J].吉林化工學院學，2014.

[6]刁海亭，聶宜民.蔬菜安全可追溯系統(tǒng)的研究進展[J].山東農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版），2014，45（02）：316-320.

[7]許世衛(wèi).我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及對策分析[J].中國科學院院刊，2013， 28（06）：686.

[8]李長有，王文華.基于DHT11傳感器的溫濕度采集系統(tǒng)[J].計算機與現(xiàn)代化，2013（11）：133-135.